X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Коэффициент полезного действия (КПД) паровоза - величина, с помощью которой можно оценить эффективность использования в паровозе тепла, полученного в результате сжигания топлива. КПД паровоза - это отношение тепла, затраченного на работу по перемещению паровоза к максимальному количеству тепла, которое это топливо может выработать.

Первые паровозы появились в Великобритании в начале XIX столетия. Их коэффициент полезного действия был очень низок. С течением времени паровозы совершенствовались, но на коэффициент это практически не влияло. Максимальный КПД самых совершенных паровозов, выпускавшихся в начале XX века, не превышал 6-8%, средний - 4%. Модернизация паровозов этот вопрос практически не решала - их КПД почти не превышал 7%.На протяжении своей истории в паровозостроении делались серьёзные попытки улучшить его эксплуатационные характеристики.

Так, тяжёлый и непроизводительный труд кочегара был облегчён благодаря применению шнековой системы подачи топлива — стокером. В этом же направлении подействовал и перевод котлов на жидкое топливо — мазут и другие тяжёлые фракции нефти. В богатых лесом районах неприхотливость парового котла к видам питающего их топлива делает использование паровоза вполне целесообразным.

Сцепление лучше по-суху

Одной из технических характеристик паровозов являлась сила сцепления колеса с рельсом.

Сила сцепления создается за счет нагрузки на колеса паровоза, а также за счет веса самих колес. Чем больше нагрузка на колесо и чем больше у паровоза движущих осей, воспринимающих усилие от паровой машины, тем больше сила сцепления. Однако увеличивать нагрузку на колесо можно до определенного предела в зависимости от прочности пути (вспомним снижение веса сварного котла).

Сумма нагрузок от движущих осей паровоза на рельсы и составляет сцепной вес паровоза. Помимо того, что силу сцепления определяет величина нагрузки на колесо, она зависит также от состояния соприкасающихся поверхностей колеса и рельса. При сухих рельсах сила сцепления составляет приблизительно 0,2-0,3 нагрузки на колесо.

При влажных, покрытых водой, снежными осадками или маслом рельсах сила сцепления (коэффициент сцепления) снижается, что вызывает боксование паровоза, влекущее за собой повышенный износ колесных пар и перерасход топлива.

Для достижения наиболее устойчивой силы сцепления колес с рельсами при унификации рекомендованы три режима подачи песка под колеса паровозов:— при трогании поезда с места;— при установившемся движении поезда на площадках и подъемах;— в зависимости от условий ведения поезда. На этом режиме песочница должна работать не более 15 % времени ее работы в зависимости от профиля пути.

Еще одним из направлений повышения экономичности паровозов было внедрение более высококалорийного или менее дорогостоящего топлива, а также снижение потерь тепла во время подачи топлива в топку.

Серьезной проблемой паровозов были потери тепла от механических углеподатчиков, без которых нельзя было обойтись на паровозах мощностью 2500-3000 л.с., т.к. кочегар уже физически не мог справляться с прожорливостью таких паровозов. При этом способе подачи потери тепла могли составлять до 30 %, что вело к резкому снижению экономичности паровоза.

И здесь рационализаторы-машинисты пытались внести свою лепту в борьбу за КПД. Так, например, машинист-инструктор Томской железной дороги Гисич в первой половине 50-х годов прошлого века предложил и испытал прибор в углеподатчике, позволивший экономить топливо до 5%. Его изобретение было принято заводами-изготовителями паровозов.

Оригинальным локомотивом является паровоз высокого давления, т. е. паровоз, который имеет давление пара в котле примерно в 10 раз больше, чем на обычных паровозах (до 140 атм. вместо обычных 15 атм.). КПД таких паровозов теоретически достигает 18-20 %.

К тому времени в стационарных теплосиловых установках уже было практически достигнуто понижение давления отработавшего пара до 0,03-0,04 атм. Однако получить такое понижение давления (глубокий вакуум) в условиях паровоза оказалось далеко не так просто. Для этого пришлось бы устанавливать специальные конденсаторы. Практически при ограниченных размерах и весе паровоза построить такую паровую машину невозможно.

Таким образом, увеличить разницу давлений свежего и отработавшего пара возможно только за счет повышения давления пара в котле. Однако и здесь дело осложняется конструктивными трудностями.

Настоящим прорывом в решении данного вопроса стало применение перегретого пара. Это позволило увеличить мощность и скорость. Произошло это в начале XX века. Однако, использование перегретого пара позволило увеличить мощность более, чем в 100 раз, скорость - в 15 раз, а КПД - только в 2 раза.Проблема низкого коэффициента полезного действия паровоза связана с тем, что пар, покидая машину, уносит с собой значительную часть полученной тепловой энергии.

Температура уходящего пара составляет 120-180 градусов, давление - около 1,5 атмосфер. Теплосодержание этого пара равно примерно 650 килокалорий. Это довольно значительная потеря, которая составляет около 40%. Кроме этой, существуют еще другие потери: от неполного расширения пара, утечка его через неплотности, противодавление на нерабочую сторону поршня.

Все эти потери значительно снижают КПД паровоза. К ним еще добавляется потери на преодоление сил трения при движении. Поэтому КПД паровоза в процентах не превышает 12-14.

В 1917 г. наиболее мощными среди товарных паровозов русских железных дорог были паровозы типа 0-5-0 серии Э и типа 1-5-0 серии Е — 1100 — 1300 л. с, среди пассажирских — паровозы типа 1-3-1 серии С и типа 2-3-1 серии Л — 1000 — 1200 л. с; получившие же широкое распространение на железных дорогах Советского Союза паровозы типа 1-5-1 серии ФД и типа 1-4-2 серии ИС развивали мощность 2600 — 3000 л. с.

В СССР в 1928г. был принят первый план развития народного хозяйства СССР. Первая пятилетка требовала увеличение количества угля, возимого по железной дороге и это давало повод к увеличению КПД паровоза.За сорок лет советского периода развития железнодорожного транспорта мощность грузовых и пассажирских паровозов возросла больше, чем за весь предреволюционный период существования русских железных дорог.

Также большой прорыв был совершен в середине XX века в связи с военным положением стран. Великая Отечественная война, особенно ее первый период, поставила железные дороги в чрезвычайно тяжелые условия. Перед железнодорожниками стала труднейшая задача - к народнохозяйственным перевозкам прибавились перевозки для фронта. К середине 1941 г. на долю железных дорог приходилось свыше 85% общего грузооборота транспорта, что составляло 420,7 млрд тонно-километров. Из-за внезапного нападения врага пришлось осуществлять перевозки мобилизационные из пунктов сбора в воинские части и по средоточению войск, а так же по эвакуации населения и предприятий в тыловые районы страны. Такое использование паровозов позволило увеличить КПД паровоза до 15-16%.Современные технологии позволяют улавливать до 95% выбросов в атмосферу и повысить КПД до 21%

Подводя итог, можно сказать, что низкий КПД паровоза связан со значительной потерей энергии из-за выброса пара и невозможностью использовать эту энергию из-за движения.

Список использованной литературы

1. Википедия. Паровоз [электронный ресурс]/Википедия.– режим доступа:https://ru.m.wikipedia.org/wiki/Паровоз

2. Локомотивы отечественных железных дорог. Смертельная схватка за КПД[электронный ресурс]/– режим доступа:

http://trtrom.narod.ru/parovoz/kpd1.htm

3. Железнодорожный моделизм. Коэффициент полезного действия паровоза [электронный ресурс]/– режим доступа:

http://www.modelzd.ru/podvizhnoj-sostav-zhd/parovoz/kpd.html

Код для цитирования: Скопировать